Чуприк Анастасия Александровна
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» На правах рукописи УДК 537.312 ЧУПРИК АНАСТАСИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ 01.04.07 – физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Долгопрудный – 2008 Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский физикотехнический институт (государственный университет)». Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Шешин Евгений Павлович. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Алехин Анатолий Павлович, зам. директора по науке ФГУП «Государственный НаучноИсследовательский Институт Физических Проблем им. Ф.В. Лукина» доктор технических наук, профессор Быков Виктор Александрович, генеральный директор ЗАО «Инструменты нанотехнологии» Ведущая организация: Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) Защита диссертации состоится « 8 » октября 2008 года в 16.00 на заседании Диссертационного совета Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32, корпус В-2. Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан «_5_» сентября 2008 года. Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Н.П. Чубинский ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Развитие электроники и физики поверхности невозможно без развития методов диагностики, которые способствуют решению фундаментальных и прикладных задач микро- и наноэлектроники, связанных с характеризацией морфологических и электрофизических свойств микро- и наноструктур. Наиболее распространенными методами решения таких задач являются растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), микроскопия на основе фокусированных ионных пучков, вторичная ионная масс-спектрометрия, оже-спектроскопия и другие. Для исследования электрофизических свойств поверхности (в частности, I-V и C-V характеристик, стационарное и динамическое распределение поверхностного потенциала) используются контактные зондовые методы (метод проводимости, квазистатический C-V-метод, метод высокочастотных C-V характеристик) и бесконтактные методы (метод полного тока, калориметрический метод определения работы выхода, метод Ричардсона, Зисмана-Томсона, метод Андерсона). Однако они наиболее приспособлены для исследования (контроля) свойств объемных материалов либо протяженных участков поверхности. С точки зрения исследования электрофизических свойств структур с высоким латеральным разрешением (менее 10 нм) наиболее перспективной является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ): атомно-силовая микроскопия (АСМ) и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). Тем не менее, стандартные методы сканирующей зондовой микроскопии не позволяют количественно характеризовать электрофизические свойства объектов наноэлектроники. Это обусловлено низкой повторяемостью и воспроизводимостью результатов измерений. Для обеспечения стабильности и воспроизводимости измерений в первую очередь требуется создание специальных зондов (или специальная подготовка серийных), разработка способов калибровки измерительных средств и разработка методик выполнения измерений, создание тестовых структур для контроля качества зондов и калибровки. Примером применения СЗМ для решения задач микро- и наноэлектроники, требующих изучения электрофизических свойств поверхности, является определение I-V и C-V характеристик субмикронных МДП структур на основе оксидов металлов с высокой диэлектрической проницаемостью. Интерес создания подобных структур обусловлен тем, что для создания современных полевых транзисторов с технологической нормой ниже 65 нм требуется уменьшение толщины подзатворного оксида до размеров менее 1 нм. В качестве альтернативы SiO2 в последние годы производители интегральных схем начали использовать диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемо- 3 стью, обеспечивающие требуемую «эквивалентную» толщину при достаточно большой физической толщине диэлектрика. При изучении электрофизических свойств поверхности неизбежно электрическое воздействие на нее, которое очень часто приводит к модификации рельефа поверхности и ее свойств. По этой причине исследование физикохимических процессов зондовой модификации поверхности позволяет выбрать оптимальные режимы измерений, обеспечив неразрушающий контроль. Кроме этого, локальная зондовая модификация поверхности может иметь самостоятельный интерес для создания тестовых наноструктур. Например, ультратонкие алмазоподобные пленки a-C:H, осажденные на подложке из кремния, который является базовым материалом электроники, являются удобным «модельным» материалом для изучения механизмов наноструктурной модификации углеродных материалов с помощью СТМ. Другим применением СЗМ для изменения структуры и электрофизических свойств поверхности является локальная модификация эпитаксиальных высокотемпературных сверхпроводящих пленок YBa2Cu3O7-x, которые применяются для создания джозефсоновских переходов. Локальная СЗМ модификация позволяет повысить резкость границ переходов, которую не обеспечивает использующаяся в настоящее время оптическая литография. Целью работы являлось исследование возможностей сканирующей зондовой микроскопии для изучения электрофизических параметров микро- и наноструктур с высокой степенью локальности и разработка новых методов измерений. Для достижения цели автором были поставлены следующие основные научно-технические задачи: • Разработка методики подготовки АСМ зондов для выполнения электрических АСМ измерений и электрохимической литографии. • Характеризация формы и электрических свойств АСМ зондов с помощью методов атомно-силовой микроскопии. • Разработка методики выбора оптимальной силы взаимодействия «зонд-образец» для контроля процесса износа. • Разработка и реализация комплексного АСМ метода измерений туннельных I-V и квазистатических C-V характеристик многослойных наноструктур. • Разработка и изготовление тестовых многослойных наноструктур, включающих сверхтонкие диэлектрические слои, для калибровки и определения чувствительности методики измерений I-V и квазистатических C-V характеристик. • Изучение характера влияния атмосферного кислорода и конденсированной влаги в зазоре между СЗМ зондом и поверхностью на механизмы локальной СЗМ наномодификации поверхности материалов наноэлектроники. 4 • Минимизация возможного электрического воздействия в ходе электрохимической литографии для предотвращения модификации электрофизических свойств поверхности высокотемпературных сверхпроводников. Научная новизна работы состоит в следующем: • Разработан и апробирован комплексный способ подготовки и характеризации АСМ зондов для выполнения электрических измерений и электрохимической литографии. Данный способ включает в себя подготовку зондов путем нанесения на них проводящего коллоидного состава, калибровку работы выхода зонда для количественных электрических измерений и контроль формы (степени изношенности) зонда. • Разработанная модель силового взаимодействия зонда с образцом позволила разработать способ контроля формы зонда in situ с помощью методов атомно-силовой микроскопии. • Разработан метод количественной калибровки латеральных сил, который позволяет осуществлять выбор оптимальной силы взаимодействия зонда c поверхностью образца для контроля процесса износа зонда и повышения срока службы зонда. • Разработан комплексный метод измерений туннельных I-V и квазистатических C-V характеристик многослойных наноструктур, позволяющий в ходе одного измерения одновременно получать I-V и C-V характеристики. • Установлено влияние атмосферного кислорода и конденсированной влаги в зазоре между СТМ иглой и поверхностью на результаты СТМ модификации ультратонких алмазоподобных a-C:H пленок. • Экспериментально установлены параметры электромеханической АСМ нанолитографии, позволяющие минимизировать электрическое воздействие на образец для предотвращения модификации электрофизических свойств поверхности высокотемпературных сверхпроводников. На защиту выносятся следующие научные положения: • Разработанный комплексный способ подготовки и характеризации зондов для электрических методов обеспечивает создание зондов с сопротивлением контакта «зонд-образец» не более 10 кОм (при типичных нагрузках 10-100 нН), калибровку работы выхода зонда для количественных электрических измерений и контроль формы зонда in situ в атомно-силовом микроскопе с учетом разработанной модели силового взаимодействия зонда с поверхностью образца. • Разработанный метод количественной калибровки латеральных сил позволяет количественно оценивать силу трения между АСМ зондом и поверхностью и, тем самым, осуществлять выбор оптимальной силы взаимодействия зонда с образцом для контроля процесса износа и повышения срока службы зонда. 5 • Разработанный комплексный метод измерений I-V и квазистатических C-V характеристик позволяет в ходе одного измерения одновременно получать I-V и C-V характеристики, обеспечивая, тем самым, получение корректной информации об электрофизических свойствах материалов для наноэлектроники и структур на их основе. Порог чувствительности метода по току составляет 30 пА, по емкости 0.5 пФ. • Экспериментально установлено, что процесс модификации ультратонких алмазоподобных a-C:H пленок носит пороговый характер. Значение порогового напряжения увеличивается при уменьшении влажности и уменьшается при уменьшении давления. В частности, при длительности электрического воздействия 10 мс в условиях комнатной среды (температура 23 оС, влажность 40 %, давление 105 Па) пороговое напряжение составляет 3.75 В; в аргоновой атмосфере (влажность 1-3 %, давление 105 Па) 4.2 В; в низком вакууме (давление остаточных газов около 2.5·10-2 Торр) ) 3.2 В. Практическая значимость заключается в возможности использования полученных результатов при разработке приборов микро- и наноэлектроники, а также для развития электрических СЗМ методов. Разработанный и апробированный комплексный способ подготовки и характеризации АСМ зондов для выполнения электрических измерений и электростимулированной литографии позволяет добиться стабильного электрического контакта в АСМ экспериментах и при этом увеличить срок эксплуатации проводящих зондов. Данный способ также позволяет осуществлять контроль качества формы (степени изношенности) зондов in situ в АСМ эксперименте, без использования дополнительного дорогостоящего оборудования и специальных тестовых структур. Разработанный метод количественной калибровки латеральных сил позволяет количественно оценивать силу трения между АСМ зондом и поверхностью и, тем самым, позволяет контролировать степень износа зонда и образца. В результате срок эксплуатации зондов существенно увеличивается и предотвращается повреждение наноструктурированной поверхности. Данные методы дают существенный стимул для широкого применения электрических СЗМ методов. Разработанный комплексный метод измерений туннельных I-V и квазистатических C-V характеристик многослойных наноструктур, позволяющий в ходе одного измерения одновременно получать I-V и C-V характеристики, предназначен для оценки качества и характеризации электрофизических свойств материалов для микро- и наноэлектроники и многослойных наноструктур на их основе. Такие исследования востребованы при разработке современных полевых транзисторов, устройств для считывания и записи информации на основе магниторезистивных датчиков. 6 Апробация работы. В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 4-х печатных источниках и 12-ти докладах (тезисах докладов) на научных конференциях. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях: • Международная научная молодежная школа «Микросистемная техника». Крым, 2004 г. • 7-я Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». Владимир, 2005г. • 46-я – 50-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 2003 – 2007 г. • 9-я, 10-я Международная конференция «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов». Крым, 2005 г., 2007 г. • 2-я Всероссийская молодежная научная школа «Микро-, нанотехнологии и их применение». Черноголовка, 2005 г. • 2-я Всероссийская конференция по наноматериалам «Нано-2007». Новосибирск, 2007 г. • 7-й Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 2008 г. Структура и объем диссертации. Работа состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы; изложена на 178 листах машинописного текста, содержит 145 рисунков и 8 таблиц; список литературы включает 192 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы актуальность выбранной темы, описаны основные цели, задачи и научная новизна диссертационной работы. Первая глава включает в себя обзор возможностей современных зондовых методов диагностики и локальной модификации рельефа и электрофизических свойств объектов микро- и наноэлектроники. Из локальных методов анализа наиболее предпочтительными являются атомно-силовая микроскопия (АСМ) и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), позволяющие проводить исследования на микронном, субмикронном и наноуровнях. Чувствительность и локальность метода СТМ на порядок превышают аналогичные параметры методов АСМ, но при этом обладает существенным недостатком – все исследуемые образцы должны быть проводящими, что неприемлемо при исследовании материалов и структур, содержащих диэлектрические слои. Анализ литературы показал, что возможности сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) по изучению электрофизических свойств объектов непрерывно растут. Это связано как с совершенствованием самого инструмента исследования, так и с появлением новых методов. Несмотря на несомненные достоинства изобретаемых методов, ранние методы по-прежнему актуальны. 7 Это обусловлено тем, что они позволяют характеризовать важнейшие электрофизические свойства объектов: распределение проводимости, поверхностного электрического потенциала, вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, определяемые с высокой степенью локальности. Для развития этих направлений СЗМ требуется дальнейшее развитие методов исследования, разработка способов калибровки измерительных средств и методов корректной интерпретации результатов, а также адаптация самих приборов, в частности, датчиков взаимодействия. Поскольку при изучении электрофизических свойств поверхности неизбежно электрическое воздействие на образец, которое может приводить к модификации рельефа и свойств поверхности, в данной главе также представлен обзор современных способов СЗМ модификации поверхности. Кроме задачи проведения неразрушающих измерений. СЗМ отличает возможность формирования зондом тонких рисунков на поверхности с шириной линий 10 нм. Поэтому СЗМ модификация активно применяется для создания прототипов устройств микро- и наноэлектроники. Однако в зависимости от материала исследуемого образца, условий эксперимента и параметров СЗМ воздействия наблюдается широкий спектр различных физических явлений. Без понимания сути происходящих в ходе модификации процессов невозможна разработка воспроизводимых технологий СЗМ литографии нанометрового диапазона и проведение неразрушающих электрических измерений. Таким образом, изучение физико-химических основ прецизионного наноструктурирования, основанного на взаимодействии зонда с подложкой, является одним из актуальнейших и приоритетных направлений современных нанотехнологий и нанофизики. Вторая глава посвящена описанию разработанного комплексного способа подготовки и характеризации АСМ зондов для выполнения электрических измерений и электростимулированной литографии. Данный способ включает в себя подготовку зондов путем нанесения на них проводящего коллоидного состава, калибровку работы выхода зонда для количественных электрических измерений и контроль качества формы (степени изношенности) зонда. Для проведения контактных электрических АСМ измерений, прежде всего, необходимо обеспечить стабильное сопротивление контакта «зондобразец». Однако не всегда удается этого достичь. Как правило, измерения производятся на воздухе, вследствие чего на поверхности образца всегда присутствует слой адсорбированной влаги, который может вносить вклад, как в величину сопротивления контакта, так и в его стабильность. В значительной степени сопротивление контакта связано с площадью контакта. Идеальным является случай, когда площадь контакта между острием зонда и образцом является неизменной. Однако во время сканирования из-за наличия адсорбционного слоя, из-за механической деформации материала покрытия на острие, а также из-за возможного износа проводящего покрытия зонда в связи 8 с использованием значительного усилия прижатия зонда к образцу площадь контакта может меняться. Это приводит к появлению паразитного вклада в значение величины тока, протекающего между иглой и образцом, и, по существу, приводит к искажению измеряемых электрофизических характеристик образца. При контактных электрических АСМ измерениях довольно большие силы давления зонда на образец (~ 100-1000 нН) используются неслучайно. Тем самым, во-первых, обеспечивается проникновение зонда сквозь пленку адсорбата на поверхности образца и зонда, а, во-вторых, происходит некоторая деградация зонда, то есть увеличение его эффективного радиуса закругления. Следствием этого является увеличение размеров контактной площадки, а значит, меньшее сопротивление контакта и более стабильный электрический контакт. Однако это приводит к быстрому износу зондов. Проводящее покрытие разрушается. При этом зонд либо становится непроводящим, либо приобретает нелинейную I-V характеристику. Если в первом случае контактные электрические методы просто перестают работать, то во втором случае становится затруднительной количественная интерпретация результатов электрических измерений. Часто для исследования электрофизических свойств материалов для микро- и наноэлектроники достаточно субмикронного латерального разрешения. Поэтому актуальной является задача разработки способа создания и восстановления зондов субмикронных размеров для электрических измерений в атомно-силовом микроскопе, которые обеспечивали бы стабильный электрический контакт зонда с исследуемой поверхностью, тем самым, гарантируя высокую стабильность и воспроизводимость электрических измерений. Существует ряд способов подготовки зондов для электрических АСМ методов. Часть из них была опробована с целью выявления наиболее эффективного и наименее ресурсозатратного. Однако у всех рассмотренных способов подготовки зондов был выявлен ряд существенных недостатков, поэтому был разработан собственный способ подготовки зондов для контактных электрических АСМ методов. Способ создания и восстановления зондов для электрических измерений в атомно-силовом микроскопе заключается в нанесении на изношенный зонд проводящего состава путем погружения зонда в каплю соответствующей жидкости (рис. 1). Степень погружения зонда контролируется с помощью цепи обратной связи микроскопа и одновременного измерения вольт-амперных характеристик системы «зонд-капля проводящего состава-образец». Использование в качестве проводящего состава жидкости с высокими адгезионными свойствами обеспечивает дополнительную стабильность электрическому контакту «зонд-поверхность образца». Разработанный способ позволяет получать зонды для электрических методов с сопротивлением 10 кОм и менее. 9 Рис. 1. Схема создания и восстановления зондов для электрических измерений Важной задачей электрических АСМ методов является диагностика проводящих зондов до и после проведения электрических АСМ измерений. Под диагностикой зонда понимается получение информации о форме зонда (эффективном радиусе закругления) и его электрических свойствах – сопротивлении и работе выхода. Лишь полное совпадение этих свойств зонда до и после проведения электрических АСМ измерений гарантирует корректность полученных результатов измерений. Для калибровки работы выхода электронов используемых зондов предложена методика калибровки зонда с помощью композита Cu-Cr. Данный композит не образует сплава, а состоит из отдельных элементов Cu и Cr, работы выхода которых хорошо известны. Поле сканирования АСМ позволяет исследовать граничную область Cu и Сr, которую нетрудно обнаружить с помощью оптического микроскопа. Таким образом, поверхностный потенциал двух различных материалов может быть измерен при одинаковых условиях. Причём разность работ выхода Cr и Cu должна быть равна разности поверхностных потенциалов, измеряемых АСМ в соответствующих областях. Соответственно, путём сравнения измеренной разности работ выхода материалов с табличным значением этой разности можно удостовериться в корректной работе АСМ в методе зонда Кельвина и определить работу выхода кантилевера по формуле: φкант = (φCr + φCu – ψCr – ψCu)/2, (1) где φCr и φCu – табличные значения работ выхода электронов, а ψCr и ψCu – поверхностные потенциалы, измеренные АСМ. Таким образом была определена работа выхода зонда типа NSG03 (производство фирмы NT-MDT), равной 5.88 ± 0.05 эВ. 10 Для характеризации формы зонда (в частности, определения радиуса закругления зонда) наиболее надежным является исследование формы зонда в РЭМ с высоким разрешением. Недостаток этого способа заключается в использовании дополнительного оборудования. Поэтому широко применимыми являются калибровки зондов с помощью АСМ по специальным тестовым структурам и ДНК, высаженным на твердой подложке, например, на слюде. В данной работе представлен метод определения динамики эффективного радиуса кривизны зонда in situ в ходе АСМ эксперимента. Этот метод основан на функциональной зависимости капиллярных и адгезионных сил от радиуса зонда, полученной с помощью разработанной модели силового взаимодействия системы «зонд-образец». Модель позволила рассчитать форму мениска, возникающего в Рис. 2. Кривые отвода для кантилевера жесткостью контакте между зондом и 30 Н/м и зондами разного радиуса поверхностью образца, а также определить условия эксперимента, при которых достигается его формирование. Были рассчитаны кривые подвода-отвода, широко применяющиеся в АСМ для анализа силового взаимодействия зонда с поверхностью образца. Было обнаружено, что значение минимума на кривой отвода зависит от радиуса кривизны зонда (см. рис. 2). В наиболее интересном для АСМ диапазоне радиусов кривизны от 5 нм до 250 нм зависимость минимума силы Fmin на кривой отвода от радиуса R практически линейна: R A Fmin B . (2) Например, для контакта кремниевого зонда с кремниевым образцом A = 0.9 нм/нН, B = 1.3 нм. Корректность разработанного способа характеризации формы зонда была экспериментально проверена для следующих пар материалов зонда и образца: Si-Si, Si-ВОПГ (высокоориентированный пиролитичесикй графит), Pt-Si, Pt-ВОПГ. Таким образом, представленный способ позволяет контролировать динамику эффективного радиуса кривизны зонда in situ в ходе АСМ эксперимента, и процесс износа зонда становится контролируемым. Тем самым, становится возможной оценка корректности результатов проводимых 11 электрических измерений и прогнозирование пригодности используемого зонда для дальнейших исследований. Дополнительными преимуществами метода является то, что для определения изменения формы зонда не требуется применения дополнительного оборудования или тестовых структур. В третьей главе обсуждаются аспекты, связанные с контролем над процессом износа зонда в контактных электрических методах во время сканирования. Серьезным недостатком контактных электрических АСМ методов по сравнению с резонансными являются не только большие нормальные силы придавливания зонда к поверхности, обеспечивающие преждевременный износ зонда и разрушение образца, но и значительные латеральные силы (~ 100 нН), обусловленные трением зонда. Достаточно большие латеральные силы могут приводить к возникновению предельных сдвиговых деформаций (для кремния ~ 700 МПа), приводящих к деградации кончика зонда и образца. Это означает, что неконтролируемые силы воздействия могут привести не только к ухудшению разрешения микроскопа, но и – при разрушении проводящего покрытия зонда – к некорректным электрическим измерениям. Осуществлять количественный контроль над силой трения при сканировании в контактных электрических методах позволяет хорошо известный метод латеральных сил (МЛС). Однако МЛС является качественным, то есть не позволяет получать абсолютное значение латеральной силы непосредственно. Это делает невозможным непосредственный контроль над процессом износа зонда в ходе сканирования. Поэтому актуальной является задача количественной интерпретации результатов МЛС, то есть сопоставления сигнала LAT, пропорционального углу закручивания кантилевера под воздействием латеральной силы и измеряемого в единицах тока (нА), и силы, действующей на зонд и выражающейся в нН. Данная глава включает в себя анализ возможных деформаций кантилевера под влиянием произвольного, в том числе латерального, воздействия на зонд. Любую информацию о поверхности микроскоп получает благодаря механическим отклонениям балки, которые регистрируются оптической системой. Вектор отклонения острия кантилевера Δ x, y , z связан с приложенной к зонду силой F Fx , Fy , Fz линейно, то есть по закону Гука: Δ C1 F , (3) c xx c xy c xz где C cyx cyy cyz – тензор обратной жесткости, содержащий информа c zx czy czz цию об упругих свойствах кантилевера. 1 12 На основе анализа литературы разработан способ калибровки МЛС, лишенный ограничений и недостатков рассмотренных методов. Количественная калибровка состоит из четырех этапов (см. рис. 3). Первые три из них представляют собой вспомогательные теоретические расчеты и могут быть выполнены только один раз, так как сводятся к аппаратным константам. Четвертый этап является непосредственно калибровкой, которую необходимо выполнять всякий раз при изменении юстировки оптической системы регистрации, в частности, при замене кантилевера. Сначала находим коэффициент пропорциональности латеральной силы Fx и угла закручивания кантилевера . Этот коэффициент, по сути, является торсионной жесткостью балки, которую можно найти одним из известных в литературе способов. На следующем шаге связываем угол закручивания со смещением светового пятна на фотоприемнике. Этот коэффициент зависит только от конструкции оптической системы регистрации микроскопа и для конкретной модели микроскопа его достаточно посчитать всего однажды. Перемещение пятна на фотоприемнике с изменением выходного сигнала LAT можно связать, самостоятельно сдвигая пятно на известное расстояние юстировочными винтами, которые позволяют Рис. 3. Алгоритм калибровки латеральных сил Рис. 4. Экспериментальная зависимость сигналов суммарной интенсивности (LASER), DFL и LAT от смещения фотоприемника вдоль двух перпендикулярных осей 13 регулировать положение блока фотоприемника, и одновременно регистрируя значения тока выходного сигнала (рис. 4). Получаемая калибровочная зависимость позволяет по сигналу LAT находить смещение пятна и далее уже абсолютное значение латеральной силы. Калибровочные коэффициенты для двух серийных АСМ и серийных кантилеверов CSC12, полученные на различных этапах калибровки, представлены в таблице 1. Таблица 1. Калибровочные коэффициенты для расчета абсолютных значений латеральной силы. Ранняя модель Solver P47 этап 1 Поздняя модель Solver P47 и NTegra Fx [нН] = 2.1·105 · β [рад] -5 этап 2 β [рад] = 2.5·10-5 · rb [мкм] β [рад] = 2.3·10 · rb [мкм] этапы 3, 4 rb [мкм] = 16.1 · LAT [нА] rb [мкм] = 12.8 · LAT [нА] итого Fx [нН] = 85 · LAT [нА] Fx [нН] = 67 · LAT [нА] Поскольку способ калибровки одинаково применим для количественной интерпретации как сигнала LAT, так и сигнала DFL, пропорционального вертикальному изгибу кантилевера, можно способ калибровки проверить независимо. Сигнал DFL легко можно сопоставить абсолютному значению нормальной силы, пользуясь широко известным способом калибровки по кривым подводаотвода. Расхождение результатов составляет порядка 8%, что позволяет заключить, что предложенный метод является достаточно точным, чтобы проводить количественные исследования латеральных сил. Метод количественной калибровки латеральных сил может найти применение не только для решения методологических задач АСМ. Использование метода позволяет осуществлять контролируемые манипуляции с углеродными нанотрубками, осажденными на подложке, что полезно при выполнении операций при изготовлении прототипов устройств наноэлектроники, например, транзисторов на основе углеродных нанотрубок. В четвертой главе рассмотрены особенности изучения электрофизических свойств структур на основе сверхтонких диэлектрических слоев с высокой диэлектрической проницаемостью, а также представлена разработанный комплексный метод измерения локальных квазистатических вольт-фарадных характеристик, позволяющий в ходе одного измерения получать C-V и I-V характеристики многослойных наноструктур. Дальнейшее увеличение быстродействия и уменьшение размеров транзисторов в микросхемах логики и памяти, изготовленных по технологии КМОП (комплементарные устройства на структурах металл-оксид-полупроводник), требует уменьшения толщины подзатворного оксида до размеров менее 1 нм. 14 Однако при такой толщине используемый до настоящего времени оксид кремния становится туннельно прозрачным, поэтому в качестве альтернативы в последние годы рассматриваются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью на основе оксидов металлов (основной кандидат – материал на основе HfO2), которые обеспечивают требуемую «эквивалентную» (оксиду кремния) толщину при достаточно большой физической толщине диэлектрика. Поэтому в настоящее время одной из актуальных задач является изучение электрофизических свойств структур на основе сверхтонких диэлектрических слоев HfO2 с высоким пространственным разрешением. На субмикронном и наномасштабе, когда другие методы бессильны, АСМ потенциально является мощным инструментом для изучения электрофизических свойств. Важным этапом исследований электрофизических свойств структур на основе атомарно гладких сверхтонких диэлектрических слоев является контроль однородности нанесения диэлектрических слоев методом растровой электронной микроскопии, а также обнаружение крупных дефектов и локализация малодефектных областей для последующего исследования методами АСМ. Последующее АСМ исследование рельефа поверхности диэлектрических слоев и визуализация пространственной неоднородности электропроводности методом отображения сопротивления растекания позволяют оценить целесообразность количественных электрических измерений и осуществить прецизионное позиционирование зонда в интересуемых точках поверхности. Ключевые электрофизические параметры структур микро- и наноэлектроники можно получить из анализа их вольт-амперных (I-V) и вольтфарадных (C-V) характеристик. В АСМ для получения I-V кривых используется стандартный метод отображения сопротивления растекания. Однако общепринятого метода измерения C-V кривых на оборудовании стандартных комплектаций не существует. Анализ существующих АСМ методов количественного измерения емкости вообще и C-V кривых в частности показал, что они обладают рядом существенных недостатков. Для того чтобы их избежать, была предложена комплексная методика измерения локальных квазистатических вольт-фарадных характеристик, позволяющая в ходе одного измерения получать C-V и I-V характеристики структур. Поскольку тепловой дрейф образца, крип пьезосканера, деградация зонда и модификация самой структуры при определенных условиях могут оказаться существенными на временах порядка 1 с и менее, одновременное измерение вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик важно для их корректного анализа с целью характеризации электрофизических свойств структуры. Суть предложенного нами АСМ метода измерения C-V характеристик заключается в измерении емкостной составляющей тока, протекающего через контакт «зонд-образец» при известном законе изменения напряжения, подан15 ного на образец, при заземлённом зонде. Емкостной ток Ic(V), протекающий в структуре, определяется разностью токов при увеличении и уменьшении напряжения: Ic V I V I V 2 , (4) где I V и I V – токи при положительной и отрицательной развертках напряжения. Емкость структуры при этом однозначно определяется емкостным током Ic(V) и скоростью изменения напряжения dV/dt: I V . C V c (5) dV dt Поскольку серийные АСМ и стандартное программное обеспечение имеют ряд особенностей, негативно влияющих на количественные электрические измерения, были выполнены калибровки прибора и разработана процедура математической обработки результатов измерений. В частности, оказались необходимыми калибровка скорости развертки напряжения, фильтрация выбросов напряжения при развертке и калибровка измерителя тока. Также представлен алгоритм корректного измерения I-V характеристик, включающий в себя блок математической обработки результатов. Для калибровки и определения чувствительности предложенного метода измерения локальных I-V и квазистатических C-V характеристик были разработаны тестовые многослойные наноструктуры, включающие сверхтонкие диэлектрические слои, в том числе, и с высокой диэлектрической проницаемостью. Одной из особенностей тестовых структур является наличие верхнего электрода, напыленного на поверхность верхнего диэлектрического слоя. Такой электрод позволяет увеличить значение туннельного тока МДП структуры, в которой зонд представляет собой металлическую ее часть, до величины 30 пА, измеримой встроенным измерителем тока микроскопа. Рис. 5. Вольт-амперная (а) и вольтМетод измерения локальных I-V и квафарадные (б) характеристики многозистатических C-V характеристик был опрослойных наноструктур на основе бован и протестирован на серийных комсверхтонких диэлектрических слоев 16 мерческих конденсаторах и на тестовых многослойных наноструктурах. В качестве примера применения разработанного метода представлены и проанализированы результаты измерений локальных вольт-амперных и квазистатических вольт-фарадных характеристик многослойных структур на основе многослойных наноструктур. Каждый образец представляет собой кремниевую подложку с p-типом проводимости (концентрация легирующей примеси ~ 1015 см-3), на поверхности которой расположены два диэлектрических слоя. Подслой HfO2 имеет толщину 10 нм, а материал верхнего оксидного слоя различен (RuO, Al2O3, Gd2O3, TiO2), и его толщина составляет 1 нм, 2, нм и 4 нм для различных образцов. В качестве примера на рис. 5 представлены вольтамперные и вольт-фарадные характеристики, полученные для структуры с верхним оксидным слоем Al2O3 толщиной 2 нм. C-V кривая, обозначенная сплошной линией, получена при частоте 12 Гц, а пунктирная кривая – при частоте 120 Гц. Полученные характеристики качественно соответствуют макроскопическим характеристикам МДП структуры с описанными параметрами. Пятая глава посвящена изучению особенностей и развитию методов электростимулированной СЗМ модификации рельефа и электрофизических свойств материалов микро- и наноэлектроники. В данной главе рассмотрены известные механизмы СЗМ модификации. При взаимодействии электронов с твердым телом может происходить множество взаимосвязанных процессов, приводящих к необратимым изменениям в локальной приповерхностной области структуры, которые не описываются в общем случае простыми соотношениями и должны рассматриваться в каждом конкретном случае. Основными физическими факторами, определяющими процессы электростимулированной модификации поверхности, являются локальные электрические поля, сравнимые с внутримолекулярными и атомными; сверхбольшие плотности токов до 10 9 А/см2 и их электродинамическое воздействие; сверхплотные локальные потоки тепла, вызванные протекающими токами; кроме того, возможны и внешние инициирующие воздействия. Наличие водного мостика в системе «зонд-образец» в атмосферных условиях приводит к появлению дополнительных возможностей СЗМ наноструктурирования поверхности. Поэтому актуальной является задача изучения влияния конденсированной влаги в зазоре между зондом и поверхностью, а также атмосферного кислорода и параметров электрического воздействия на результаты модификации рельефа и электрофизических свойств поверхности. Такая задача в данной работе рассматривалась применительно к наноструктурированию ультратонких алмазоподобных пленок. Практический интерес к созданию электрически модифицированных областей с латеральным размером 1-10 нм (в частности, в виде регулярных массивов) обусловлен возможностью использования подобных структур для создания автоэмиссионных 17 катодов с высокой плотностью эмиссии и сверхбольшими плотностями тока, а также устройств для хранения информации с высокой плотностью записи, проводящих одномерных линий для наноэлектроники. Регулярные массивы структур, полученных в результате СЗМ модификации, с латеральным размером около 100 нм могут найти применение в рентгеновской оптике. Существует ряд возможных механизмов СЗМ модификации алмазоподобных пленок. Аморфные алмазоподобные гидрогенизированные (a-C:H) пленки являются удобным «модельным» материалом для изучения механизмов электростимулированной модификации углеродных материалов. Для модификации ультратонких a-C:H пленок, поверхность которых имеет малое сопротивление растеканию тока, можно применить СТМ. Модификация поверхности осуществлялась путем подачи между иглой СТМ и образцом серии из одинаковых импульсов напряжения длительностью 10-100 мс. С целью выявления влияния окружающей атмосферы на результаты СТМ модификации были выполнены эксперименты в трех различных средах: в комнатных условиях (температура ~ 23 оС, влажность ~ 40 %, давление 105 Па); в аргоновой атмосфере (влажность 1-3 %, давление 105 Па) и в низком вакууме (давление остаточных газов около 2.5·10-2 Торр). Так как СТМ не позволяет однозначно разделить влияние рельефа и проводимости поверхности на получаемое изображение, то для определения локальной проводимости модифицированные области были исследованы методом отображения сопротивления растекания в атомно-силовом микроскопе (АСМ). Обнаружено, что СТМ модификация поверхности носит пороговый характер. В комнатных условиях и в аргоновой атмосфере СТМ модификация короткими импульсами напряжения a-C:H пленок приводит к образованию непроводящих структур с латеральным размером от 100 нм до 2 мкм, а в низком вакууме – к образованию проводящих структур тех же размеров. Дальнейшее увеличение величины и длительности импульсов напряжения приводит к образованию проводящих структур, окруженных непроводящими областями. Так, для серии из десяти импульсов длительностью 10 мс пороговое напряжение, при котором формируются непроводящие структуры на a-С:H пленке толщиной 13 нм, в комнатных условиях составляет 3.75±0.05 В, а в аргоновой атмосфере 4.2±0.1 В. В низком вакууме пороговое напряжение начала модификации с формированием проводящих структур составляет 3.2±0.1 В, а второй порог составляет 4.5±0.1 В. При увеличении длительности импульсов значения пороговых напряжений пропорционально растут. Воздействие отрицательными импульсами напряжения с амплитудой вплоть до -6 В не приводит к модификации алмазоподобных пленок. Процесс СТМ модификации в низком вакууме обусловлен локальной графитацией алмазоподобной пленки при воздействии сильного электрического поля и аналогичен тому, что происходит в сверхвысоком вакууме. Обра18 зование непроводящих структур обусловлено влиянием водного мостика между СТМ иглой и поверхностью a-C:H пленки. Таким образом, установлено влияние атмосферного кислорода и влаги в зазоре между СТМ иглой и поверхностью на результаты СТМ модификации ультратонких алмазоподобных a-C:H пленок. Другим примером СЗМ АА наноструктурирования поверхности является модификация эпитаксиальных тонких высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) YBa2Cu3O7-x пленок, применяемых для создания джозефсоновских переА А ходов. Для этой цели YBa2Cu3O7-x пленки подвергают фотолитографии и жидкостному травлению. Однако жидкостное травление приводит к появлению достаточно больших (0.51 мкм) неоднородностей на границах пленки. Таким образом, границы джозеф-соновских переходов являются изрезанными, Рис. 6. Мостик YBa2Cu3O7-x после модификации и профиль модифицированного участка рельефа нерезкими, что может облегчать вдоль белой линии. зарождение (проникновение) вихрей магнитного поля и привести к снижению критического тока по сравнению со значениями, характерными для «мостиков» такой геометрии. Ситуацию можно улучшит, используя средства СЗМ литографии. Известно, что при электрическом воздействии на такие пленки (напряжение ~ 10 В) во влажной атмосфере (влажность более 30%) в присутствии CO2 происходит химическое разложение материала. Электрофизические свойства пленки в окрестности области модификации изменяются: материал не только теряет сверхпроводящие свойства, но и проводимость его ухудшается. Поэтому основной задачей СЗМ модификации YBa2Cu3O7-x пленок является минимизация электрического воздействия. Кроме этого, при электрическом воздействии плотность материала уменьшается, что позволяет механически удалить его зондом АСМ. Была изучена зависимость процесса электромеханической модификации от основных параметров воздействия: величины и длительности импульсов напряжения, сила придавливания и скорости движения зонда по поверхности. 19 Применение электромеханической АСМ литографии дало возможность минимизировать электрическое воздействие на YBa2Cu3O7-x пленку до 0.3 В без потери эффективности. При этом наименьшая возможная длительность воздействия составляет 5 с, а сила придавливания, необходимая для механического удаления материала, равна 20 мкН. Ширина полученной границы мостика составила 340 ± 30 нм (см. рис. 6). Таким образом, АСМ позволяет создавать джозефсоновские переходы на основе YBa2Cu3O7-x пленок с резкими границами. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Основные результаты работы: Предложен комплексный способ подготовки и характеризации зондов для электрических методов, включающий в себя подготовку зондов путем нанесения на них проводящего коллоидного состава, калибровку работы выхода зонда для количественных электрических измерений и контроль качества формы зонда. Сопротивление получаемых зондов составляет не более 10 кОм. Контроль формы зонда осуществляется in situ с помощью разработанной модели силового взаимодействия зонда с образцом. Разработана методика выбора оптимальной силы взаимодействия зонда с образцом для количественного контроля процесса износа зонда. Разработан метод количественной калибровки латеральных сил, позволяющий определять абсолютные значения силы трения контактной пары «зонд-образец». Коэффициенты пересчета условных единиц латеральной силы в абсолютные для серийных кантилеверов стандартной ширины 35 мкм и серийных АСМ Solver P47 (ранняя модель) и NTegra составляют 85 нН/нА и 67 нН/нА соответственно. Разработана, опробована и реализована АСМ методика измерения локальных квазистатических вольт-фарадных характеристик, позволяющая в ходе одного измерения получать I-V и C-V характеристики многослойных наноструктур. электрофизических свойств материалов для наноэлектроники и структур на их основе. Порог чувствительности метода по току составляет 30 пА, по емкости 0.5 пФ. Спроектированы тестовые многослойные наноструктуры, включающие сверхтонкие диэлектрические слои, для калибровки и определения чувствительности методики измерений I-V и квазистатических C-V характеристик. Экспериментально установлен характер влияния атмосферного кислорода и конденсированной влаги в зазоре между СЗМ зондом и поверхностью на механизм локальной СЗМ модификации поверхности алмазоподобных гидрогенизированных a-C:H пленок, что позволяет осуществлять неразрушающие электрические измерения и создавать структуры с заданными электрофизическими свойствами. Для осуществления неразрушающего контроля при длительности электрического воздействия 20 7. 10 мс электрические измерения следует проводить в условиях комнатной среды (температура ~ 23 оС, влажность ~ 40 %, давление 105 Па) при напряжениях менее 3.75±0.05 В; в аргоновой атмосфере (влажность 1-3 %, давление 105 Па) при напряжениях менее 4.2±0.1 В; в низком вакууме (давление остаточных газов около 2.5·10-2 Торр) при напряжениях менее 3.2±0.1 В. Определены оптимальные параметры электромеханической СЗМ литографии эпитаксиальных высокотемпературных сверхпроводящих YBa2Cu3O7-x пленок, позволяющие создавать на их основе джозефсоновские переходы с резкими границами. Наименьшие величина и длительность напряжения составляют 0.3 В и 5 с соответственно. Сила придавливания, необходимая для механического удаления материала, равна 20 мкН. Ширина полученной границы мостика составила 340 ± 30 нм. Основные материалы диссертации содержатся в следующих работах: 1. Батурин А.С., Чуприк А.А., Шешин Е.П. Микроскопия латеральных сил: количественный подход // Нано- и микросистемная техника. ― 2005, № 8, с. 23-27. 2. Батурин А.С., Чуприк А.А., Шешин Е.П. Влияние капиллярных сил в атомно-силовой микроскопии // Материалы VII международной научной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», 2005, с. 56. 3. Батурин А.С., Чуприк А.А. Новый метод количественного измерения латеральных сил // «Микросистемная техника». Материалы Международной научной молодежной школы. ― Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004, 230 с. ISBN 58327-0133-X, с. 42-46. 4. A.S. Baturin, A.A. Chouprik, E.P. Sheshin. Quantitative Application of Lateral Force Microscopy for Carbon Nanotubes Investigation // “Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials”. NATO Security through Science Series A: Chemistry and Biology. Special Issue, XLI, Springer Science, 2007, 878 p., ISBN-10: 1-4020-5512-9 p. 401-406. 5. A.S. Baturin, A.A. Chouprik, V.D. Frolov, E.P. Sheshin, E.V. Zavedeev. Modification of ultrathin a-C:H films by short voltage pulses in STM // Материалы X международной научной конференции «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов», 2007, с. 704-705. 6. Шерстнёв П.В., Шешин Е.П., Чуприк А.А. Исследование работы выхода кантилевера по результатам атомно-силовой микроскопии бинарной композиции Cu-Cr // Нано- и микросистемная техника. ― 2007, № 5, с. 24-26. 7. Чуприк А.А., Батурин А.С., Фролов В.Д., Заведеев Е.В., Конов В.И., Пименов С.М., Друзь Б., Шешин Е.П. Электро-стимулированная сканирующая зондовая литография алмазоподобных a-C:H плёнок // Материалы 21 XII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2008, с. 461. 8. Зенкевич А.В., Лебединский Ю.Ю., Любовин Н.Ю., Чуприк А.А., M. Fanciulli, G. Scarel. АСМ исследование C-V характеристик Ni/HfO2/SiO2/Si структур // Материалы L научной конференции МФТИ, 2007, с. 45. Чуприк Анастасия Александровна Развитие методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования электрофизических свойств материалов наноэлектроники и структур на их основе Автореферат Подписано в печать 04.09.2008 Формат 60х84 1/16, Усл. леч. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № ____ Московский физико-технический институт (государственный университет) Печать на аппаратуре Copy Printer 1280 НИЧ МФТИ 22 141700, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9 23